JP2014017597A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】妨害信号等によるひずみ成分の受信信号への重畳を防ぎ、受信系統の高感度化を実現することができるアンテナ装置を提供する。
【解決手段】受信回路６１〜６ｎは、アンテナ素子により受信された信号を周波数分離が必要な数だけの帯域通過フィルタを備えた分波器により複数の受信系統に分離し、分離した信号を低雑音増幅するものとし、分離した受信系統のうち所望の受信系統を選択し、選択した受信系統の信号を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、レーダ、通信システムやマイクロ波放射計や電波受信システムの受信用アンテナとして用いられるアンテナ装置に関する。

レーダや通信システム等の信号受信機能を有したシステムにおける性能向上策として、システム雑音温度の低減による受信系の高感度化がある。システム雑音温度は、一般にアンテナからＬＮＡ（Low Noise Amplifier：低雑音増幅器）までの伝送損失とＬＮＡにて生じる内部雑音が支配的となるため、アンテナからＬＮＡまでの給電線路や受信フィルタなどの電気回路、さらにはＬＮＡを真空容器などの断熱用保温容器内に収容し、これらを超伝導状態となるまで冷却するための冷却手段を備えることにより、アンテナからＬＮＡまでの給電損失をゼロに近づけ、ＬＮＡの内部雑音を低減し受信系の高感度化を図るアンテナ装置が考案されている。

ここで、アンテナからＬＮＡまでの給電損失をゼロに近づけ、ＬＮＡの内部雑音を低減し受信系の高感度化を図るアンテナ装置では、妨害信号等の不要波の干渉除去のため、ＬＮＡの入力側に、使用する周波数帯域のみを通過させる帯域通過フィルタ（ＢＰＦ：Band Pass Filter）を配置する。この帯域通過フィルタは、例えばレーダ装置のように送信可能周波数（中心周波数）を複数有し、これらを合わせた広い範囲の周波数帯域（レーダ帯域）を必要とする場合、運用時に使用する中心周波数における瞬時帯域は狭帯域であるものの、全ての中心周波数において受信回路を共通に使用するためレーダ帯域全てに亘る広帯域なＢＰＦを構成している。

特開２０００−２３６２０６号公報

しかしながら、妨害信号等による不要波を除去するための受信フィルタをレーダ帯域全てに亘って通過させることができる広帯域なＢＰＦで構成する従来方式では、レーダ帯域内のいずれかの周波数にて妨害信号等の不要波が入力された場合、前述のＢＰＦでは不要波を抑圧できないため、ＬＮＡの飽和や相互変調により生じるひずみ成分の受信信号への重畳といった課題があった。

そこで、本実施形態は、上記の課題を鑑みてなされたもので、妨害信号等によるひずみ成分の受信信号への重畳を防ぎ、さらに受信系統の高感度化を実現することができるアンテナ装置を提供することを目的とする。

本実施形態によれば、アンテナ装置は、送受信共用のアンテナと、送受切換器と、受信回路と、位相制御器と、合成器と、断熱容器と、冷却手段とを具備する。なお、本アンテナ装置は、例えばレーダ装置のように複数の送信可能周波数（中心周波数）を有し、いずれかの周波数を選択して送信及び受信を行うような、複数の周波数を選択的に受信するシステムに適用される。ここで、送受切換器は前記アンテナに接続され、送信系と受信系の信号系統切換を可能とするものである。受信回路は、前記アンテナで受信された信号をＢＰＦによって前記複数の中心周波数の数に対応した受信系統に分離し、それぞれのフィルタ特性に応じた周波数の受信信号を抽出する。抽出した受信信号は、それぞれＬＮＡによって低雑音増幅される。また、位相制御器により前記受信回路から出力された受信信号に位相制御を施し、合成器にて信号合成する。断熱容器は、前記受信回路を収容し、外部からの熱を遮断する。冷却手段は、前記断熱容器に収容される前記受信回路を冷却する。

本実施形態に係るアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 図１に示すアンテナ装置における真空容器の断面図である。 本実施形態に係るアンテナ装置の構成の変形例１を示すブロック図である。 本実施形態に係るアンテナ装置の構成の変形例２を示すブロック図である。 本実施形態に係るアンテナ装置の構成の変形例３を示すブロック図である。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以降の図における同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係るアンテナ装置の構成を示すブロック図である。

このアンテナ装置は、アレイ状に配列されるｎ個のアンテナ素子Ｔ１〜Ｔｎ、分配器１、送信用移相器２１〜２ｎ、送信アンプ３１〜３ｎ及び送信フィルタ４１〜４ｎからなる送信系統と、送受信切換器５１〜５ｎ、受信回路６１〜６ｎ、受信用移相器７１〜７ｎ及び合成器８からなる受信系統と、真空容器９と、冷凍機１０と、冷却プレート１１とを備える。また、上記受信回路６１〜６ｎは、分波器６１１と、リミッタ６１２１〜６１２ｍと、ＬＮＡ（低雑音増幅器）６１３１〜６１３ｍと、スイッチ６１４とを有する。

なお、図１には、受信回路６１の構成のみを示し、他の受信回路６２〜６ｎは、受信回路６１と同一の構成とする。以降の実施形態を示す図も同様にして重複する説明を省略する。

また、上記送信系統及び受信系統は、アンテナ素子数ｎに対応してｎ個ずつ設けられ、送信系統の出力端及び受信系統の入力端はそれぞれ送受信切換器５１〜５ｎを介して対応するアンテナ素子Ｔ１〜Ｔｎに接続される。

分配器１は、送信信号生成装置により生成される送信信号を入力し、この送信信号をｎ系統に分配する。送信信号生成装置は、複数有する中心周波数の中からいずれかの中心周波数を選択して送信信号を生成する。

送信用移相器２１〜２ｎは、それぞれ分配器１により分配された送信信号を入力し、この送信信号に所望の位相制御を施す。

送信アンプ３１〜３ｎは、それぞれ対応する系統の送信用移相器２１〜２ｎから出力される送信信号を入力し、この送信信号を所望の利得で電力増幅する。

送信フィルタ４１〜４ｎは、それぞれ対応する系統の送信アンプ３１〜３ｎから出力される送信信号を入力し、この送信信号から所望の送信周波数帯域成分を抽出する。

送受信切換器５１〜５ｎは、それぞれ対応する系統のアンテナ素子Ｔ１〜Ｔｎに対する送信系統と受信系統の切り換えを行うものであり、例えば、サーキュレータや同軸スイッチ等を用いる。

分波器６１１は、前述の複数有する中心周波数の数に応じて、複数の受信系統に受信信号を周波数分離する。なお、受信系統の分離にあたっては、分波器６１１を構成する複数のＢＰＦ６１１１〜６１１ｍにより、中心周波数に対応した周波数成分の信号を抽出する。これにより、分波器６１１ではＢＰＦ６１１１〜６１１ｍにより、受信系統ごとに所望の周波数帯域成分のみを出力し、他の周波数帯域成分を遮断する。なお、上記ＢＰＦ６１１１〜６１１ｍは、超伝導素材で構成される。

リミッタ６１２１〜６１２ｍは、ＢＰＦ６１１１〜６１１ｍより出力される所望の受信信号を入力し、この受信信号の信号レベルを制限し、以降のＬＮＡ６１３１〜６１３ｍへの過入力保護を行う。

ＬＮＡ６１３１〜６１３ｍは、それぞれ対応するＢＰＦ６１１１〜６１１ｍから出力される受信信号を入力し、この受信信号の低雑音増幅を行う。

スイッチ６１４は、前述の送信周波数に対応する受信系統を選択し、選択した受信系統とスイッチ６１４以降の伝送線路とを接続する。ここで、スイッチ６１４は、図示しない送信制御器からの制御信号により、送信周波数に対応した受信系統を選択する。

受信用移相器７１〜７ｎは、受信回路６１〜６ｎより出力された受信信号を入力し、この受信信号に所望の位相制御を施す。

合成器８は、受信用移相器７１〜７ｎにより位相制御された各受信信号を入力し、これらの受信信号の信号合成を行う。

真空容器９は、上記受信回路６１〜６ｎを収容し、内部を真空状態にすることで、収容物の断熱と保温を行う。この真空容器９は、極低温の効率的な維持を目的として超伝導素材を配置した周囲を真空状態として断熱するための容器である。このため、少なくとも超伝導素材を配置した周囲はインターフェース用のコネクタ等を含めて気密構造とする。

冷凍機１０及び冷却プレート１１は、真空容器９内の伝送線路及び受信回路６１〜６ｎを極低温で冷却するための手段である。

上記構成において、以下にその処理動作を説明する。

まず、送信時において、任意の中心周波数による送信信号が入力されると、この送信信号は分配器１にてアレイ状に配置される各送信用移相器２１〜２ｎに分配供給され、各送信用移相器２１〜２ｎにて送信ビームの励振分布に応じた位相制御が施された後、送信アンプ３１〜３ｎで電力増幅され、送信フィルタ４１〜４ｎにて不要波成分が抑圧され、送受信切換器５１〜５ｎを介してアンテナ素子Ｔ１〜Ｔｎから空間へ放射される。ここで、入力される送信信号の周波数は、図示しない送信信号生成器にて複数の中心周波数のうちの１つの周波数が選択される。

また、受信時において、各アンテナ素子Ｔ１〜Ｔｎにて受信された信号は、送受信切換器５１〜５ｎを介して受信系統に入力され、真空容器９内に収容されている分波器６１１にて、複数の中心周波数の数に応じたＢＰＦ６１１１〜６１１ｍにより周波数分離され、所望の周波数帯域成分のみを抽出して、リミッタ６１２１〜６１２ｍで振幅制限し、ＬＮＡ６１３１〜６１３ｍにて低雑音増幅され、スイッチ６１４にて送信周波数に対応する受信系統の信号が選択される。このスイッチ６１４によって選択された受信信号は、受信用移相器７１〜７ｎにて受信ビームの指向特性に応じた位相制御が施された後、合成器８によって信号合成されて、受信ビームとして出力される。

次に図２は、図１に示すアンテナ装置における真空容器９の断面図である。

図２に示す真空容器９内の受信回路６１〜６ｎは、伝送線路及びＢＰＦ６１１１〜６１１ｍを含む分波器６１１を超伝導素材で構成しており、これらは真空容器９に接続する冷凍機１０等の冷却手段によって超伝導状態となる極低温に冷却される。

アンテナ素子Ｔ１〜Ｔｎにて受信された信号は、図２に示すように入力側の同軸コネクタ９１Ａ１〜９１Ａｎ及び同軸ケーブル９２Ａ１〜９２Ａｎを介して、真空容器９内の受信回路６１〜６ｎへ入力される。ここで、受信回路６１〜６ｎは真空容器９内の冷却プレート１１により極低温に冷却され、これによって超伝導素材による伝送線路及びＢＰＦ６１１１〜６１１ｍが超伝導状態となる。

受信回路６１〜６ｎから出力された信号は、入力時と同様に、出力側の同軸ケーブル９２Ｂ１〜９２Ｂｎ及び同軸コネクタ９１Ｂ１〜９１Ｂｎを介して常温部へと出力される。

このように、本実施形態では、伝送線路及びＢＰＦ６１１１〜６１１ｍを超伝導状態として、伝送損失をゼロに近づけることができる。また、ＬＮＡ６１３１〜６１３ｍも極低温に冷却することにより、ＬＮＡ６１３１〜６１３ｍの内部で生じる雑音を低減することができる。

さて、本実施形態では、図１に示すように、受信回路６１〜６ｎ内に分波器６１１を備え、分波器６１１を構成するＢＰＦ６１１１〜６１１ｍにより必要な受信周波数の数だけ周波数分離した受信系統とＬＮＡ６１３１〜６１３ｍを有する。これにより、例えば、予め複数の送信可能周波数（中心周波数）を決めて運用するレーダ装置において、中心周波数の数をｍ波とすると、中心周波数の数と同様に、分波器６１１で周波数分離する受信系統の数もｍとする。ここで、分波器６１１を構成するＢＰＦ６１１１〜６１１ｍは、使用する瞬時帯域の信号のみを抽出し、他の周波数帯域成分を遮断できる狭帯域フィルタとする。これにより、ｍ系統に分離した受信系統のうち、１つ以上の受信系統で妨害信号等による不要波干渉が生じた場合でも、干渉していない周波数の受信系統での送受信が可能であり、運用を継続することができる。

なお、周波数分離後の各受信系統に配置するリミッタ６１２１〜６１２ｍは、送信期間中の送信信号や妨害信号等の周波数の一致する大電力信号からＬＮＡ６１３１〜６１３ｍを保護するためのものである。

上記分波器６１１を構成するＢＰＦ６１１１〜６１１ｍは、冷凍機１０等の冷却手段により超伝導フィルタとなるため、使用する瞬時帯域以外の周波数成分を急峻に抑圧することができると共に、非常に少ない損失で実現することができる。

ここで、図１及び図２には、複数の受信回路６１〜６ｎを真空容器９内に収容して一体化した構成を示したが、アンテナ素子Ｔ１〜Ｔｎに対応する１回路ごとに真空容器９を分割しても良い。

また、図１及び図２では、複数の受信回路６１〜６ｎを１つの冷却プレート１１で冷却する構成を示したが、アンテナ素子Ｔ１〜Ｔｎに対応する１回路ごとに冷却プレート１１を設け、個別に冷却しても良い。以降の実施形態を示す図も同様にして重複する説明を省略する。

さらに、図１に示す回路系統において、リミッタ６１２１〜６１２ｍにダイオードを用いる。このダイオードへの印加電圧を制御することによって、ダイオードのＯＮ、ＯＦＦ制御を行うことで、後述する変形例２に示したスイッチ６１４１〜６１４ｍと同様に、送信期間中及び選択しない受信系統のＯＦＦ制御に加えて、受信期間中の選択した受信系統に大電力信号が入力された際、出力電力を制限することができる（リミッティング機能）。よって、上記スイッチ６１４１〜６１４ｍを使用することなく送信期間中及び選択しない受信系統のＯＦＦ制御を行うことができ、ＬＮＡ６１３１〜６１３ｍを保護することができる。

（変形例１）
図３は、本実施形態に係るアンテナ装置の構成の変形例１を示すブロック図である。

図３に示すように、リミッタ６１２を分波器６１１の入力側へ配置する。これにより、受信系統ごとにリミッタ６１２を配置する必要が無くなり、リミッタ６１２の使用数量を減らして大電力信号からのＬＮＡ６１３１〜６１３ｍ保護を可能とすることができる。

（変形例２）
図４は、本実施形態に係るアンテナ装置の構成の変形例２を示すブロック図である。

図４に示すように、分波器６１１と各ＬＮＡ６１３１〜６１３ｍの間にスイッチ６１４１〜６１４ｍを配置して、送信周波数に対応する受信系統のみの信号が抽出されるように、スイッチ６１４１〜６１４ｍを制御する。ＬＮＡ６１３１〜６１３ｍの出力信号は、合波器６１５を介して受信用移相器７１へ出力される。この際、送信期間中には大電力信号が送受信切換器５１〜５ｎを介して、周波数の一致する受信系統に入力されるため、送信期間中はスイッチ６１４１〜６１４ｍをＯＦＦに制御してＬＮＡ６１３１〜６１３ｍの保護を行うことができる。

（変形例３）
図５は、本実施形態に係るアンテナ装置の構成の変形例３を示すブロック図である。

図５に示すように、１つのスイッチ６１４で、使用する受信信号を選択できるようにする。これにより、前述した変形例２と同様にＬＮＡ６１３の保護を行いつつ、ＬＮＡ６１３の使用数量を減らすことができ、さらなる回路の小型化を実現することができる。

すなわち、上記実施形態及び実施形態の変形例で示すように、送信可能周波数（中心周波数）などにより制限される必要な受信周波数の数に周波数分離した受信系統において、リミッタやスイッチ等のＬＮＡを送信信号や干渉波等の大電力信号から保護するための手段、真空容器９からの出力信号を削減するためのスイッチによる系統選択及び合波器等の組み合わせにより、様々な形態での実現が可能である。

以上のように、上記実施形態におけるアンテナ装置は、使用する瞬時帯域のみを通過させて、他の周波数成分を遮断できるようにした狭帯域なＢＰＦ６１１１〜６１１ｍを周波数分離が必要な数だけ備えた分波器６１１を構成して、、妨害信号等による不要波干渉が生じた場合でも、速やかに不要波干渉していない他の中心周波数の受信系統に変更可能とする。これにより、不要波干渉していない周波数の受信系統で運用を継続することができる。

したがって、本実施形態のアンテナ装置は、妨害信号等の不要波干渉が生じた場合でも、干渉が生じていない他の周波数で運用を継続することができ、妨害信号等によるひずみ成分の受信信号への重畳を防ぎ、さらに受信回路６１〜６ｎを冷却手段で冷却するようにしているので、受信系統の高感度化を実現することができる。

上記アンテナ装置は、移相器を使用しない機械回転式のアレイアンテナ及びアンテナ素子ごとやサブアレイごとに移相器を有するフェーズドアレイアンテナのいずれにも適用可能である。

また、上記実施形態ではアレイ状に配列される複数のアンテナＴ１〜Ｔｎを備えるアンテナ装置について記載しているが、ｎ＝１（アンテナ素子が１構成となっている場合）として、分配器１、送信用移相器２１〜２ｎ、受信用移相器７１〜７ｎ及び合成器８を含まない構成とすることもできる。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…分配器、２１〜２ｎ…送信用移相器、３１〜３ｎ…送信アンプ、４１〜４ｎ…送信フィルタ、５１〜５ｎ…送受信切換器、６１〜６ｎ…受信回路、６１１…分波器、６１１１〜６１１ｍ…帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）、６１２１〜６１２ｍ…リミッタ、６１３１〜６１３ｍ…低雑音増幅器（ＬＮＡ）、６１４，６１４１〜６１４ｍ…スイッチ、６１５…合波器、７１〜７ｎ…受信用移相器、８…合成器、９…真空容器、９１Ａ１〜９１Ａｎ，９１Ｂ１〜９１Ｂｎ…同軸コネクタ、９２Ａ１〜９２Ａｎ，９２Ｂ１〜９２Ｂｎ…同軸ケーブル、１０…冷凍機、１１…冷却プレート。

Claims (10)

1. 複数の送信可能周波数のうちから送信周波数を選択して送信し、複数の送信可能周波数のうちから前記送信周波数に合致する周波数を選択して受信する装置に用いられるアンテナ装置において、
   送受信共用のアンテナと、
   前記アンテナに送信系と受信系の信号系統切換を行う送受切換器と、
   前記アンテナで受信された信号を前記複数の中心周波数の数に対応した帯域通過フィルタによって複数の受信系統に周波数分離して抽出し、前記分離された受信系統ごとに、低雑音増幅器によって前記抽出された受信信号を低雑音増幅するものとし、前記分離された受信系統のうち、前記送信周波数に対応する受信系統を選択し、前記選択された受信系統の低雑音増幅された受信信号を出力する受信回路と、
   前記受信回路から出力される受信信号に位相制御を施す位相制御器と、
   前記位相制御器で位相制御が施された受信信号を合成する合成器と、
   前記受信回路を収容し、外部からの熱を遮断する断熱容器と、
   前記断熱容器に収容される前記受信回路を冷却する冷却手段と
   を具備することを特徴とするアンテナ装置。
2. 複数の送信可能周波数のうちから送信周波数を選択して送信し、複数の送信可能周波数のうちから前記送信周波数に合致する周波数を選択して受信する装置に用いられるアンテナ装置において、
   アレイ状に配列される複数のアンテナ素子を備える送受信共用のアレイアンテナと、
   前記アレイアンテナの各アンテナ素子それぞれに、各素子に対応する送信系と受信系の信号系統切換を行う複数の送受切換器と、
   前記アレイアンテナの各アンテナ素子に対応して設けられ、前記アンテナ素子で受信された信号を前記複数の中心周波数の数に対応した帯域通過フィルタによって複数の受信系統に周波数分離して抽出し、前記分離された受信系統ごとに、低雑音増幅器によって前記抽出された受信信号を低雑音増幅するものとし、前記分離された受信系統のうち、前記送信周波数に対応する受信系統を選択し、前記選択された受信系統の低雑音増幅された信号を出力する複数の受信回路と、
   前記受信回路から出力される受信信号に位相制御を施す複数の位相制御器と、
   前記複数の位相制御器で位相制御が施された受信信号を合成する合成器と、
   前記受信回路を収容し、外部からの熱を遮断する断熱容器と、
   前記断熱容器に収容される前記受信回路を冷却する冷却手段と
   を具備することを特徴とするアンテナ装置。
3. 前記受信回路は、
   前記分離する受信系統ごとに設けられ、前記受信信号から前記複数の中心周波数それぞれに対応する周波数帯域の信号を抽出し、他の周波数帯域の信号を遮断する複数の帯域通過フィルタと、
   前記複数の帯域通過フィルタの出力信号の信号レベルを制限する複数のリミッタと、
   前記複数のリミッタの出力信号を低雑音増幅する複数の増幅器と、
   前記複数の増幅器の出力信号のうち、前記送信周波数に対応する受信系統を選択し、選択された受信系統の信号を前記位相制御器へ出力する選択手段と
   を具備することを特徴とする請求項１または２記載のアンテナ装置。
4. 前記受信回路は、
   前記アンテナまたはアンテナ素子の受信信号の信号レベルを制限するリミッタと、
   前記リミッタの出力信号が、前記複数の中心周波数の数に対応した複数の受信系統に周波数分離可能とする帯域通過フィルタと、
   前記複数の帯域通過フィルタの出力信号を低雑音増幅する複数の増幅器と、
   前記複数の増幅器の出力信号のうち、前記送信周波数に対応する受信系統を選択し、選択された受信系統の信号を前記位相制御器へ出力する選択手段と
   を具備することを特徴とする請求項１または２記載のアンテナ装置。
5. 前記受信回路は、
   前記分離する受信系統ごとに設けられ、前記受信信号から前記複数の中心周波数それぞれに対応する周波数帯域の信号を抽出し、他の周波数帯域の信号を遮断する複数の帯域通過フィルタと、
   前記複数の帯域通過フィルタの出力信号のうち、前記送信周波数に対応する受信系統をオン状態としてその出力信号のレベルを制限し、他の受信系統をオフ状態とする複数のリミッタと、
   前記複数の帯域通過フィルタの出力信号を前記複数のスイッチを介して入力し、それぞれ入力信号を低雑音増幅する複数の増幅器と、
   前記複数の増幅器により低雑音増幅された複数の受信信号を合波して前記位相制御器へ出力する合波器と
   を具備することを特徴とする請求項１または２記載のアンテナ装置。
6. 前記受信回路は、
   前記分離する受信系統ごとに設けられ、前記受信信号から前記複数の中心周波数それぞれに対応する周波数帯域の信号を抽出し、他の周波数帯域の信号を遮断する複数の帯域通過フィルタと、
   前記複数の帯域通過フィルタの出力信号のうち、前記送信周波数に対応する受信系統を選択すると共に、選択された受信系統の信号レベルを制限するリミッタと、
   前記リミッタにより選択された受信系統の信号を低雑音増幅し、前記位相制御手段へ出力する増幅器とを具備することを特徴とする請求項１または２記載のアンテナ装置。
7. 前記受信回路の少なくとも一部には超伝導素材が用いられ、
   前記断熱容器は、少なくとも前記受信回路の超伝導素材が配置される周囲を真空状態とすることを特徴とする請求項１または２記載のアンテナ装置。
8. 前記複数のアンテナ素子それぞれに対応する受信系統ごとに、前記断熱容器を分割することを特徴とする請求項２記載のアンテナ装置。
9. 前記リミッタとして、ダイオードを用いることを特徴とする請求項５または６記載のアンテナ装置。
10. 前記帯域通過フィルタ及び前記増幅器の伝送線路には、前記冷却手段の冷却によって超伝導状態となる超伝導素材が用いられることを特徴とする請求項３乃至６のうちいずれか１項に記載のアンテナ装置。

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